4.3. Энергия и плотность энергии заряженного конденсатора
Опыт 4.4. Энергия заряженного конденсатора
Оборудование:
Конденсатор
Шелковая нить
Шарик
Электрофорная машина
Соединительные провода
Между обкладками конденсатора на шелковой нити висит легкий шарик. Конденсатор подсоединен к кондукторам электрофорной машины. Одна обкладка конденсатора подсоединена к положительному полюсу электрофорной машины, а другая – к отрицательному. Начинаем вращать диски электрофорной машины, заряжая Лейденские банки, которые тоже фактически являются конденсаторами, и видим, что шарик бегает от одной обкладки к другой. Он приближается к положительной обкладке и заряжается положительно, затем отталкивается от нее и переносит заряд к другой обкладке. Он переносит заряд от одной обкладки к другой. Все это совершается за счет энергии заряженного конденсатора, т.е. за счет энергии заряженных Лейденских пар.
Вывод: работа по перемещению шарика совершается за счет энергии заряженного конденсатора.
Рассмотрим заряженный конденсатор. Обкладки конденсатора взаимодействуют, а внутри конденсатора происходит поляризация диэлектрика. При этом совершается работа, следовательно, можно говорить об энергии электростатического поля. Чтобы вычислить энергию поля найдем работу по зарядке конденсатора.
Рис. 42.
(29)
т.е. поле внутри конденсатора обладает энергией:
(30)
Такой же энергией
обладает любое электростатическое
поле. Если конденсатор плоский, то
,
тогда:
(31)
– объемная плотность энергии электростатического поля, тогда:
(32)
Для анизотропных диэлектриков:
.
Конденсаторы используются для накапливания энергии и выпрямления переменного тока в электронных устройствах.
В России запатентовано устройство, которое представляет собой батарею конденсаторов, способное заменить аккумулятор в автомобилях. Выгода очевидна: конденсаторы не замерзают, в них не надо добавлять воду и т.д.
Контрольные вопросы к §4
1)Дайте определение электроемкости?
2) Запишите формулу электроемкости.
3) От чего зависит электроемкость?
4) В чем измеряется электроемкость?
5) Дайте определение конденсатору?
6) Какие виды конденсаторов вы знаете?
7) Перечислите оборудование в опыте 4.1 «Емкость плоского конденсатора».
8) Какой вывод следует из опыта 4.1 «Емкость плоского конденсатора»?
9) Запишите формулу емкости конденсатора в СИ
10) Какие виды соединения конденсаторов вы знаете?
11) Перечислите оборудование в опыте 4.2 «Зависимость емкости от свойств среды»
12) Какой вывод следует из опыта 4.2 «Зависимость емкости от свойств среды»?
13) Перечислите оборудование в опыте 4.3 «Емкость уединенного проводника».
14) Какой вывод следует из опыта 4.3 «Емкость уединенного проводника»?
15) Запишите формулу эквивалентной емкости при параллельном соединении.
16) Запишите формулу эквивалентной емкости при последовательном соединении.
17) Запишите формулу работы по зарядке конденсатора.
18) Запишите формулу энергии электрического поля заряженного конденсатора.
19) Запишите формулу объемной плотности энергии электростатического поля.
20) Запишите формулу объемной плотности для анизотропных диэлектриков.